2018-7-5梵净山东侧局地大暴雨的雷达回波特征及地形作用分析

张 祝，茅海祥，杨 群

(贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300)

0 引言

受武陵山脉西段的梵净山地形影响，铜仁地形呈现为东、西部低(海拔200～600 m)，中间高(海拔1000～2000 m)的复杂分布。受地形影响，铜仁地区的暴雨具有局地性、突发性且强度大，分布不均等特点，因此地形对暴雨的作用是暴雨预报的一个关注点。钮学新等[1]在统计华东地区登陆台风暴雨时发现迎风坡强迫抬升可使台风降水明显增加。郭虎等[2]的研究表明,由地形造成的风场辐合及迎风坡辐合抬升作用对暴雨的形成有重要影响。冀春晓等[3]用模式对0414 号台风Rananim登陆期间降水模拟,有、无地形2种试验方案导致的降水量差绝对值可达200 mm以上。黄克慧[4]分析台风后部降水时，认为水汽输送与山脉的正交有利于降水增幅。吴庆梅等[5]指出地形辐合切变为北京西城区强对流提供了强有力的扰动源。同时，暴雨的发生一般是中小尺度系统作用的结果。多普勒天气雷达可对中小尺度对流系统内部结构、发生发展机制和演变特征表现得更为精细[6]。在多普勒径向速度图上“辐合点”“中气旋”的图像特征出现有利于局地暴雨发生[7]。速度图上出现辐合区可作为出现暴雨的判据[8]。

2018年7月5日受梵净山地形影响，铜仁出现局地大暴雨天气，造成江口、松桃等县城镇内涝，经济损失严重。本文主要通过分析暴雨发生的环流背景、中小尺度对流回波特征以及梵净山地形影响，揭示此次大暴雨过程中尺度雨团的降水过程以及地形对局地强降雨的增幅作用，从而加深对铜仁局地暴雨过程的认识,同时希望能对临近预报有所启发和指导。

1 资料说明及降雨概况

1.1 资料说明

本文资料为怀化常规探空和地面气象观测资料、铜仁市区域自动站资料、铜仁多普勒天气雷达每6 min一次体扫资料，以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料。地面流场及高空各物理量场由NCEP/NCAR再分析资料计算得到。

1.2 降雨概况

2018年7月5日08时—6日08时，铜仁梵净山的东部地区出现大暴雨，强降水集中在5日15时—6日08时，从强降水中心的雨强演变来看，沿河南部出现在5日15—17时，小时最大雨强为沿河甘溪84.5 mm；松桃境内的降雨主要集中在6日00—06时，最大小时雨强为松桃九江61.8 mm，6 h雨量达到100 mm以上，雨强大，历时短；江口境内的降雨集中在5日15时—6日07时持续17h,最大小时雨强为盘溪51.2 mm，雨强相对小，持续时间相对长。经统计，此次过程铜仁市384个自动雨量站，有36站≥100 mm，66站≥50 mm，大暴雨主要集中在梵净山东侧的松桃县和江口县境内。过程最大雨量为松桃尖山196.1 mm，其次为江口快场175.4 mm。

1.3 降水量与地形分布关系

从图1铜仁地形分布来看,铜仁中部有海拔高度2479 m的梵净山，东、西侧海拔高度较低为200～600 m。受梵净山地形影响，可以看出大暴雨主要出现在梵净山东侧的松桃、江口地区，暴雨区域非常集中。从图中可以发现暴雨区主要位于梵净山地形的东侧(迎风坡一侧), 100 mm以上的大降水位于梵净山山脚和东北侧。降水分布说明此次大暴雨过程与复杂的地形相匹配，体现了铜仁复杂地形对降水的增幅作用和对系统传播有阻碍作用。

图1 铜仁市地形和7月5日08时—6日08时降水量分布

2 环流背景特征和主要影响系统

2.1 高空环流形势

7月5—6日欧亚中高纬为一槽一脊形势，槽位于贝加尔湖西侧90°E附近，脊位于贝加尔湖东侧，青藏高原受贝加尔湖西部槽影响，不断分裂波动槽东移进入四川及贵州地区。7月5日08—20时高原槽向东分裂的小槽，受高压脊阻挡小槽维持在四川及贵州地区，利于水汽和能量的积累，从而形成有利于暴雨产生的环流形势。

5日08时，500 hPa(图略)在云南—四川—贵州均有小槽生成，贵州境内的槽位于贵州北部遵义和铜仁境内，700 hPa和850 hPa切变线位于四川东部到重庆以及长江中下游一带，850 hPa从广西—湖南有西南风≥12 m/s的急流建立，铜仁处于切变线南侧，急流北侧的区域。同时从850 hPa要素分析，有湿轴从贵州西部向东部经过铜仁中部一线，并且处于Td≥20 ℃，(T-Td)700≤2 ℃及T850-T500≥21 ℃区域，铜仁为不稳定的高湿区。到5日20时(图2)，500 hPa高空槽维持在铜仁中南部，700 hPa和850 hPa在四川东部有低涡形成，其暖切变线影响铜仁北部一线，低层850 hPa湿轴转为南北向，由广西向北伸展，经过铜仁东部地区，铜仁上空仍然维持强的不稳定高湿状态，对流降水持续并在东部发展。在近地层上，5日08时贵州受地面热低压控制，中心强度为997.5 hPa，午后地面升温，局地热力抬升，利于强对流天气发生。贵州中北部有一条东西向的地面辐合线，东段位于铜仁中部。地面辐合线在铜仁东部从5日08时一直维持到17时，到20时略有南压，23时铜仁段在东部又再次形成,6日08时移出铜仁，降雨减弱。

图2 2018年7月5日20时天气系统配置分析

2.2 探空资料和几种对流指数

怀化是离铜仁最近的探空站,选择怀化站探空及对流有效位能(CAPE)、K指数等热力环境指数对这次大暴雨过程进行分析。分析2018年7月5日20时怀化站T-lnp图(图略),可以看出7月5日20时怀化上空湿度层表现为中层850～650 hPa为湿层，600～300 hPa及1 000～850 hPa为干层，并呈现出“中间湿，上下干”的上、下层喇叭口状。0℃层高度在5.5 km左右, 暖空气层比较厚。自由对流高度在771 hPa,高度非常低。CAPE为982.2 J/kg，KI指数为43 ℃，SI指数为-2.88 ℃，具有一定的不稳定能量。500 hPa以下风随高度有明显的顺转,有深厚的暖平流，500～400 hPa之间风随高度逆转，高层有冷平流侵入。资料探空表明有利于铜仁出现强降水和雷雨大风天气。

怀化站7月5日20时—6日08时的CAPE、K值、SI值见表1。在7月5日08时暴雨发生前,怀化上空CAPE值982.2 J/kg ，KI值43 ℃,SI值-2.88 ℃，然后逐渐增大, 暴雨发生时(5日20时)CAPE值达到最大1455.4 J/kg ，KI值40 ℃,SI值-2.23℃。5日铜仁受地面辐合线、切变线和高空槽影响, 触发不稳定能量释放,夜间出现暴雨天气。强降水过后,不稳定能量减弱,6日08时的CAPE值减小到476.3 J/kg，KI值降至40 ℃,SI值-1.41 ℃,大气逐渐趋向稳定,降水趋于结束。K指数是大气稳定度的一种判断指数, K值越大,大气层结越不稳定,一般当KI≥35 ℃时易出现暴雨；SI指数也叫做稳定指数,通常也是用来判断大气稳定度的一种判据，SI指数<0 ℃利于发生雷暴天气。CAPE、KI指数、SI指数对7月5日大暴雨有很好的反应。

表1 怀化2018年7月5日08时—6日08时CAPE、K值表

2.3 中尺度地面辐合线及地形对强降雨落区的影响

大尺度天气形势和环境场为暴雨的发生提供了有利的环境条件，但是暴雨的发生大多由中尺度对流天气系统引起，中尺度对流系统的发生最关键因素是触发条件。地面中尺度辐合线在对流系统中有着更加直接的触发作用[9]，杨秀庄等[10]对贵州暴雨天气分析中也得到中尺度辐合线对暴雨的形成具有重要触发作用。

此次暴雨过程，第1阶段强降水主要出现在5日15—16时，大于20 mm的短时强降水集中在铜仁北部低洼地带，小时雨强达84.5 mm的强降雨发生在沿河县南部地区，持续时间仅为1 h。在地面(图3a)上，5日08时西北风与西南风汇合的中尺度地面辐合线，穿过沿河南部地区，强降雨主要发生在辐合线南风最密集的地区。对应从风场和垂直速度的垂直分布来看，梵净山(108.5°E以西)西侧有西北风与偏南风的辐合，东侧为西南风。从垂直速度来看，在梵净山西侧沿河地面辐合线附近为较弱的上升运动。所以，从地形和风来看，偏南风沿着梵净山西侧北上，梵净山对沿河强降雨影响不大。仅是辐合线附近辐合抬升运动，将本地水汽和能量向高层输送，从而导致在辐合线附近对流降雨的发生。

第2个阶段，降水集中在5日22—23时的松桃县，最大小时雨强为松桃九江61.8 mm，短时强降雨持续时间达4 h,主要集中在松桃中北部低洼地带(海拔高度为550 m左右)。铜仁与湖南西部、重庆南部交界处，有一条东北风与东南风的辐合线形成，通过松桃的中北部。此时，松桃中北部地区受东北气流影响，南部受东南气流影响，两股气流交汇于梵净山东北侧。由于东北风气流受到东南风以及梵净山东北侧地形共同阻挡，使得系统停留，并在松桃低洼地带形成强的辐合抬升。低层偏东风受梵净山(108.5°E)影响，在东侧松桃境内形成低层强的上升运动，中心强度增强达到-3×10-3hPa/s以上，高层下沉运动区。上升运动在辐合线附近增强，造成松桃大暴雨。

第3个阶段主要出现在6日01—02时，随着地面辐合线南压进入中南部，强降水出现在中南部的江口境内，江口盘溪小时雨强达到51.2 mm以上，20 mm以上降雨持续时间为3 h，主要出现在梵净山东侧低洼地区。在6日02时(图3b)地面辐合线南压至江口南部、万山、玉屏、石阡境内，江口北部受东北气流影响，中南侧受东南气流影响，两股气流交汇于江口中部一带。北侧东北气流沿着松桃较低地带吹向梵净山东侧低洼地区，顺着东北西南向走向的梵净山南部地形吹，不太利于江口南部辐合线附近的地形抬升，而江口南部的东南风吹向梵净山东南侧，利于在梵净山东南侧形成地形风的辐合。低层偏东气流对着梵净山吹，在梵净山的东侧形成低层中心为-3×10-3hPa/s的上升运动区图4。

图3 7月5日08时(a)和7月6日02时(b)地面辐合线(红色实线)、铜仁地形(阴影)和20mm/h以上雨量叠加图(绿点)

3 三个阶段强降雨对应的雷达回波特征

辐合线附近雨强的大小可以由低空的雷达反射率因子来判断。在铜仁川硐雷达回波产品反射率因子图上显示(图4a)，08时沿着辐合线附近在沿河南部有回波生成，强度为35 dBz。随着辐合线的北抬，到14时辐合线附近对流回波不断生成，并在沿河南部有所增强，最强中心达到50 dBz。15时47分在沿河南部继续发展，最强中心达到55 dBz以上，沿着沿河南部的强回波作东北西南向的剖面(图4b)，有多个对流回波发展，其回波伸展高度在8～12 km，大于55 dBz的强回波中心伸展高度达到了4～8 km，反射率因子的主要特征是在中低对流层靠近地面回波强，质心位置较低，满足热带降水型回波[11-12]，该区域容易出现50 mm以上的雨强。对应的径向速度图上(图4c)在120 km左右出现γ中尺度气旋性流场，与暴雨、雷雨大风等灾害性天气密切相关，其正速度中心强度为17.9 m/s，负速度中心强度为-10.9 m/s。

图4 7月5日15时47分组合反射率因子(a)、沿强回波中心反射率因子剖面图(b)、和0.5°仰角径向速度图(c)

第2个时段松桃暴雨发生时，对应在雷达回波反射率因子产品图上显示(图5a)，5日20时在松桃东北部辐合线附近，有两个强对流回波生成，中心强度为45 dBz。随着地面辐合线向南压，松桃境内的对流回波不断生成发展。5日22时03分回波中心强度增大到55 dBz以上。从沿着强中心的回波剖面来看(图5b)，回波伸展高度为8 km以下，大于55 dBz强回波主要位于4 km以下，相对于沿河南部的强回波，伸展高度低，整层的回波强度范围略小。在0.5°仰角的径向速度图上(图5c)，有一大片辐合区,中心值最大为-7.5 m/s。在辐合区最大的区域也对应了反射率因子最强的中心区域，则辐合区的出现预示着对流回波的发展增强，并有短时强降水发生。

图5 7月5日22时03分组合反射率因子(a)、沿强回波中心剖面图(b)和0.5°仰角径向速度图(c)

第3时段，6日01—02时随着地面辐合线南压进入江口地区，对应在多普勒雷达回波反射率因子图上发现(图6a)，6日01时03分有大于45 dBz强度的对流回波带在江口北部形成多个对流回波，其回波伸展高度在8 km左右，中心大于45 dBz强度的强回波伸展高度为4 km，接近地面1 km左右有一个大于50 dBz的强回波。回波一直在江口北部维持到6日02时13分后才开始减弱，其中6日02时01分江口北部仍然维持多个对流回波，沿着中心(横线处)作剖面(图6b)看到，回波伸展高度维持在8 km，大于45 dBz的回波中心伸展高度为4 km，利于短时强降水的出现。同时从径向速度图上(图6c)也出现了辐合区，辐合区中心强度在01时03分为-7.5 m/s，到02时稍微减小为-4.0 m/s，维持停留时间相对较长。

图6 7月6日01时03分组合反射率因子(a)、沿强回波中心剖面图(b)和0.5°仰角径向速度图(c)

4 地形抬升作用分析

从以上分析发现，当梵净山东侧低层为东南风或东北风时，受地形影响，迎风坡形成较强的上升运动区，但地形有没有对上升运动形成增幅作用？还需要进一步分析。在暴雨形成的第2阶段和第3阶段，梵净山东南侧江口及东北侧松桃暴雨发生时，低层均为东北风和东南风，风对着梵净山地形吹，则利于在东侧形成地形辐合抬升。下面着重分析这2个阶段，梵净山地形的抬升作用与江口北部、松桃北部站点雨强的关系。

从10 m风场来看江口在降雨发生时段，梵净山北部为东北风，南部为东南风，强降雨发生在江口中部。为了进一步说明问题，本文分析了与暴雨中心盘溪站(迎风坡山脚),太平站(迎风坡较远处)、梵净山站(山顶)3个代表站的总降雨量(图7a)及站逐时降水量(图7b)。结合地形可知，总降水量呈现出坡脚盘溪—迎风坡较远处—山顶逐渐明显减小。则迎风坡坡脚雨量最大，迎风坡较远处次大，山顶最小。再从3站逐小时降水量极大值出现时间看，迎风坡脚处(盘溪)较山前较远处(太平)和山顶(梵净山)站小时雨强均大，表明地形对暴雨有一定的增幅作用。从图3b可以看到，松桃境内暴雨发生时，地面为东北偏东风，风对着梵净山东北侧吹，也有利于地形的辐合抬升，同时也受东南风的阻挡，风向的辐合集中在松桃北部地区，导致大暴雨区出现在离梵净山地形较远处的区域，而不是在梵净山东北侧山脚。

图7 盘溪、太坪、梵净山站6日01-04时总雨量(a)和逐时雨量曲线图(b)

4.1 地形抬升速度计算方法

针对梵净山坡脚站点地形抬升作用，定量计算抬升速度大小，参考傅抱璞[13]的地形模式建立。当地形坡度走向与环境风向有交角时,气流沿坡爬升,将会产生上升运动,使对流加强,导致雨量加大。风速愈大，风向与坡向交角愈小，地形抬升速度愈大。

4.2 暴雨站点相对地形的抬升速度计算

选取江口县盘溪自动气象站资料,包括逐小时降水、风向、风速等计算地形抬升速度。然后对应查看小时雨强与地形抬升关系表2，发现当风向为偏东风时(ESE)，受梵净山地形辐合抬升作用，地形抬升速度为17.1×10-1m/s，小时雨强明显增大。当为偏西风和偏北风时在迎风坡无明显地形抬升影响，雨量相对小。同样从表3可以看到，松桃平头站当风向为东北偏东风时(ENE)，受梵净山东北侧地形抬升作用影响，地形抬升速度为2.2～4.4×10-1m/s，小时雨强为20 mm以上。可见，当近地层为偏东气流影响时，风对着梵净山地形吹，则利于在梵净山东侧迎风坡形成地形辐合抬升，对降雨有增幅作用。

表2 江口盘溪站逐小时雨强与地形抬升关系

表3 松桃平头站逐小时雨强与地形抬升关系

5 结论与讨论

①500 hPa低槽与低层切变线、低空急流、地面辐合线相互共同作用是此次大暴雨形成的大尺度环境背景。要素场上看，铜仁处于Td≥20 ℃，(T-Td)700≤2 ℃及T850-T500≥21 ℃，CAPE达982.2 J/kg以上,KI指数为43 ℃，SI指数<-2.0 ℃区域的不稳定高湿区，是对流降水天气得以触发的重要因素。

②地面中度辐合线使得强降雨对流云团的触发和加强，强降水对流回波沿着地面辐合线生成和发展。

③ 梵净山地形对此次暴雨有一定的增幅作用。特别是在江口南部的降水影响最明显，其降水量呈现为迎风坡坡脚处的雨量较山前及山顶的雨强大。地形抬升的作用并不是对所有站点的强降水都有意义, 这与该站点的坡度、坡向以及降水时的风向和风速有关。当地面为偏东风时，东风在梵净山山前受地形强迫抬升作用，使该地区降雨加大。

根据此次过程，发现梵净山地形对短时强降水有一定的增幅作用，但强降水的形成过程中，地形的动力抬升对每一个站的贡献有多大，如何定量的计算每一个站，每个时刻的抬升速度，且运用到实际暴雨预报业务中，还需要下一步认真研究。